Часть V. Ввод-вывод

Глава 13. Система управления вводом-выводом

Предыдущая глава | Программа курса | Следующая глава

Функционирование любой вычислительной системы обычно сводится к выполнению двух видов работы: обработке информации и операций по осуществлению ее ввода-вывода. Поскольку в рамках модели, принятой в этом курсе, все, что выполняется в вычислительной системе, организовано как набор процессов, эти два вида работы выполняются процессами. Процессы занимаются обработкой информации и выполнением операций ввода-вывода.

Содержание понятий “обработка информации” и “операции ввода-вывода” зависит от того, с какой точки зрения мы смотрим на них. С точки зрения программиста под “обработкой информации” понимается выполнение команд процессора над данными, лежащими в памяти независимо от уровня иерархии – в регистрах, кэше, оперативной или вторичной памяти. Под “операциями ввода-вывода” программист понимает обмен данными между памятью и устройствами, являющимися внешними по отношению к памяти и процессору, такими как магнитные ленты, диски, монитор, клавиатура, таймер. С точки зрения операционной системы “обработкой информации” являются только операции, совершаемые процессором над данными, находящимися в памяти на уровне иерархии не ниже, чем оперативная память. Все остальное относится к “операциям ввода-вывода”. Чтобы совершить операции над данными, временно расположенными во вторичной памяти, операционная система, как мы обсуждали в части III нашего курса, сначала производит их подкачку в оперативную память, а лишь затем процессор совершает необходимые действия.

Рассмотрение того, что именно делает процессор при обработке информации, как он решает задачу и какой алгоритм выполняет, не входит в задачи нашего курса. Это скорее относится к курсу “Алгоритмы и структуры данных”, с которого обычно начинается изучение информатики. Как операционная система управляет обработкой информации, мы разобрали в части II, в деталях описав два состояния процессов – исполнение (а что его описывать то?) и готовность (очереди планирования и т.д.), а также правила, по которым осуществляется перевод процессов из одного состояния в другое (алгоритмы планирования процессов).

Данная глава будет посвящена второму виду работы вычислительной системы - операциям ввода-вывода. Мы разберем, что происходит в компьютере при выполнении операций ввода-вывода, и как операционная система управляет их выполнением. При этом для простоты мы будем считать, что объем оперативной памяти в вычислительной системе достаточно большой, т.е. все процессы полностью располагаются в оперативной памяти, и поэтому понятия “операция ввода-вывода” с точки зрения операционной системы и с точки зрения пользователя содержательно совпадают. Такое предположение не снижает общности нашего рассмотрения, так как подкачка информации из вторичной памяти в оперативную память и обратно обычно строится по тому же принципу, что и все прочие операции ввода-вывода.

Прежде чем говорить о работе операционной системы при осуществлении операций ввода-вывода, нам придется вспомнить часть сведений из курса “Архитектура современных ЭВМ и язык ассемблера”, чтобы понять, как осуществляется передача информации между оперативной памятью и внешним устройством, и почему для подключения к вычислительной системе новых разнообразных устройств ее не требуется перепроектировать.

13.1 Физические принципы организации ввода-вывода.

Существует много разнообразных устройств, которые могут взаимодействовать с процессором и памятью: таймер, жесткие диски, клавиатура, дисплеи, мышь, модемы и т. д., вплоть до устройств отображения и ввода информации в авиационно-космических тренажерах. Часть этих устройств может быть встроена внутрь корпуса компьютера, часть - вынесена за его пределы, и общаться с компьютером через различные линии связи: кабельные, оптоволоконные, радиорелейные, спутниковые и т.д. Конкретный набор устройств и способы их подключения определяются целями функционирования вычислительной системы, желаниями и финансовыми возможностями пользователя. Несмотря на все многообразие устройств, управление их работой и обмен информацией с ними строятся на относительно небольшом количестве принципов, которые мы постараемся разобрать в этом разделе.

13.1.1. Общие сведения об архитектуре компьютера.

В простейшем случае процессор, память и многочисленные внешние устройства связаны большим количеством электрических соединений - линий, которые в совокупности принято называть локальной магистралью компьютера. Внутри локальной магистрали линии, служащие для передачи сходных сигналов и предназначенные для выполнения сходных функций, принято группировать в шины. При этом понятие шины включает в себе не только набор проводников, но и набор жестко заданных протоколов, определяющий перечень сообщений, который может быть передан с помощью электрических сигналов по этим проводникам. В современных компьютерах выделяют, как минимум, три шины:

Количество линий, входящих в состав шины, принято называть разрядностью (шириной) этой шины. Ширина адресной шины, например, определяет максимальный размер оперативной памяти, которая может быть установлена в вычислительной системе. Ширина шины данных определяет максимальный объем информации, которая за один раз может быть получена или передана по этой шине.

Операции обмена информацией осуществляются при одновременном участии всех шин. Рассмотрим, к примеру, действия, которые должны быть выполнены для передачи информации из процессора в память. В простейшем случае необходимыми являются три действия:

Естественно, что приведенные выше действия являются необходимыми, но недостаточными при рассмотрении работы конкретных процессоров и микросхем памяти. Конкретные архитектурные решения могут требовать дополнительных действий, например, выставления на шину управления сигналов частичного использования шины данных (для передачи меньшего количества информации, чем позволяет ширина этой шины), выставления сигнала готовности магистрали после завершения записи в память, разрешающего приступить к новой операции, и т.д., однако общие принципы выполнения операции записи в память остаются одинаковыми.

В то время как память легко можно представить себе в виде последовательности пронумерованных адресами ячеек, локализованных внутри одной микросхемы или набора микросхем, подобный подход неприменим к устройствам ввода-вывода. Внешние устройства разнесены пространственно и могут подключаться к локальной магистрали в одной точке или множестве точек, получивших название портов ввода-вывода. Тем не менее, точно так же, как ячейки памяти взаимно однозначно отображались в адресное пространство памяти, порты ввода-вывода можно взаимно однозначно отобразить в другое адресное пространство – адресное пространство ввода-вывода. При этом каждый порт ввода-вывода получает свой номер или адрес в этом пространстве. В некоторых случаях, когда адресное пространство памяти (размер которого определяется шириной адресной шины) задействовано не полностью (остались адреса, которым не соответствуют физические ячейки памяти), и протоколы работы с внешним устройством совместимы с протоколами работы с памятью, часть портов ввода-вывода может быть отображена непосредственно в адресное пространство памяти (так, например, поступают с видеопамятью дисплеев), правда тогда эти порты уже не принято называть портами. Надо отметить, что при отображении портов в адресное пространство памяти для организации доступа к ним в полной мере могут быть задействованы существующие механизмы защиты памяти без организации специальных защитных устройств.

В ситуации прямого отображения портов ввода-вывода в адресное пространство памяти действия, требуемые для записи информации и управляющих команд в эти порты или для чтения данных из них и их состояний, ничем не отличаются от действий, производимых для передачи информации между оперативной памятью и процессором, и для их выполнения применяются те же самые команды. Если же порт отображен в адресное пространство ввода-вывода, то процесс обмена информацией инициируется специальными командами ввода-вывода и включает в себя несколько другие действия. Например, для передачи данных в порт необходимо выполнить следующее:

Существенным отличием памяти от устройств ввода-вывода является то, что занесение информации в память является окончанием операции записи, в то время как занесение информации в порт зачастую является инициализацией реального совершения операции ввода-вывода. Что именно должны совершать устройства, приняв информацию через свой порт, и каким именно образом они должны поставлять информацию для чтения из порта, определяется электронными схемами устройств, получившими названия контроллеров. Контроллер может непосредственно управлять отдельным устройством (например, контроллер диска), а может управлять несколькими устройствами, связываясь с их контроллерами посредством специальных шин ввода-вывода (шина IDE, шина SCSI и т.д.).

Современные вычислительные системы могут иметь разнообразную архитектуру, множество шин и магистралей, мосты для перехода информации от одной шины к другой и т.п. С точки зрения нашего рассмотрения важными является только следующие моменты:

Именно единообразие подключения внешних устройств к вычислительной системе является одной из составляющих идеологии, позволяющих добавлять новые устройства без перепроектирования всей системы.

13.1.2. Структура контроллера устройства.

Контроллеры устройств ввода-вывода весьма различны как по своему внутреннему строению, так и по исполнению (от одной микросхемы до специализированной вычислительной системы со своим процессором, памятью и т. д.), поскольку им приходится управлять совершенно разными приборами. Не вдаваясь в детали этих различий, мы выделим некоторые общие черты контроллеров, необходимые им для взаимодействия с вычислительной системой. Обычно каждый контроллер имеет, по крайней мере, четыре внутренних регистра, называемых регистрами состояния, управления, входных данных и выходных данных. Для доступа к содержимому этих регистров вычислительная система может использовать один или несколько портов, что не существенно для нас. Для простоты изложения будем считать, что каждому регистру соответствует свой собственный порт.

Регистр состояния содержит биты, значение которых определяется состоянием устройства ввода-вывода, и которые доступны только для чтения вычислительной системой. Эти биты индицируют завершение выполнения текущей команды на устройстве (бит занятости), наличие очередного данного в регистре выходных данных (бит готовности данных), возникновения ошибки при выполнении команды (бит ошибки) и т.д.

Регистр управления получает данные, которые записываются вычислительной системой для инициализации устройства ввода-вывода или выполнения очередной команды, а также изменения режима работы устройства. Часть битов в этом регистре может быть отведена под код выполняемой команды, часть битов кодировать режим работы устройства, бит готовности команды свидетельствует о том, что можно приступить к ее выполнению.

Регистр выходных данных служит для помещения в него данных для чтения вычислительной системой, а регистр входных данных предназначен для помещения в него информации, которая должна быть выведена на устройство. Обычно емкость этих регистров не превышает ширину линии данных (а чаще всего меньше ее), хотя некоторые контроллеры могут использовать в качестве регистров очередь FIFO для буферизации поступающей информации.

Разумеется, набор регистров и составляющих их битов является приблизительным, он призван послужить нам моделью для описания процесса передачи информации от вычислительной системы к внешнему устройству и обратно, но в том или ином виде он обычно присутствует во всех контроллерах устройств.

13.1.3. Опрос устройств и прерывания. Исключительные ситуации и системные вызовы

Построив модель контроллера и, представляя себе, что скрывается за словами “прочитать информацию из порта” и “записать информацию в порт”, мы готовы к рассмотрению процесса взаимодействия устройства и процессора. Как и в предыдущих случаях, примером нам послужит команда записи, теперь уже записи или вывода данных на внешнее устройство. В нашей модели для вывода информации, помещающейся в регистр входных данных, без проверки успешности вывода процессор и контроллер должны общаться следующим образом:

При необходимости вывода новой порции информации все эти шаги повторяются. Если процессор интересует корректно или не корректно была выведена информация, то после шага 4 он должен в цикле считывать информацию из порта регистра состояний до тех пор, пока не будет сброшен бит занятости устройства, после чего проанализировать состояние бита ошибки.

Как видим, на первом шаге (и, возможно, после шага 4) процессор ожидает освобождения устройства, непрерывно опрашивая значение бита занятости. Такой способ взаимодействия процессора и контроллера получил название polling или, в русском переводе, способа опроса устройств. Если скорости работы процессора и устройства ввода-вывода примерно равны, то это не приводит к существенному уменьшению полезной работы, совершаемой процессором. Если же скорость работы устройства существенно меньше скорости процессора, то указанная техника резко снижает производительность системы и необходимо применять другой архитектурный подход.

Для того чтобы процессор не дожидался состояния готовности устройства ввода-вывода в цикле, а мог выполнять в это время другую работу, необходимо, чтобы устройство само умело сигнализировать процессору о своей готовности. Технический механизм, который позволяет внешним устройствам оповещать процессор о завершении команды вывода или команды ввода, получил название механизма прерываний.

В простейшем случая для реализации механизма прерываний необходимо к имеющимся у нас шинам локальной магистрали добавить еще одну линию, соединяющую процессор и устройства ввода-вывода – линию прерываний. По завершении выполнения операции внешнее устройство выставляет на эту линию специальный сигнал, по которому процессор после выполнения очередной команды (или после завершения очередной итерации при выполнении цепочечных команд, т.е. команд, повторяющихся циклически со сдвигом по памяти) изменяет свое поведение. Вместо выполнения очередной команды из потока команд, он частично сохраняет содержимое своих регистров и переходит на выполнение программы обработки прерывания, расположенной по заранее оговоренному адресу. При наличии только одной линии прерываний процессор при выполнении этой программы должен опросить состояние всех устройств ввода-вывода, чтобы определить от какого именно устройства пришло прерывание (polling прерываний!), выполнить необходимые действия (например, вывести в это устройство очередную порцию информации или перевести соответствующий процесс из состояния ожидание в состояние готовность) и сообщить устройству, что прерывание обработано (снять прерывание).

В большинстве современных компьютеров процессор стараются полностью освободить от необходимости опроса внешних устройств, в том числе и от определения с помощью опроса устройства, сгенерировавшего сигнал прерывания. Устройства сообщают о своей готовности процессору не напрямую, а через специальный контроллер прерываний, при этом для общения с процессором он может использовать не одну линию, а целую шину прерываний. Каждому устройству присваивается свой номер прерывания, который при возникновении прерывания контроллер прерывания заносит в свой регистр состояния и, возможно, после распознавания процессором сигнала прерывания и получения от него специального запроса, выставляет на шину прерываний или шину данных для чтения процессором. Номер прерывания обычно служит индексом в специальной таблице прерываний, лежащей по адресу, задаваемому при инициализации вычислительной системы, и содержащей адреса программ обработки прерываний – вектора прерываний. Для распределения устройств по номерам прерываний необходимо, чтобы от каждого устройства к контроллеру прерываний шла специальная линия, соответствующая одному номеру прерывания. При наличии множества устройств, такое подключение становится невозможным, и на один проводник (один номер прерывания) подключается несколько устройств. В этом случае процессор при обработке прерывания все равно вынужден заниматься опросом устройств для определения устройства, выдавшего прерывание, но в существенно меньшем объёме. Обычно при установке в систему нового устройства ввода-вывода требуется аппаратно или программно определить, каким будет номер прерывания, вырабатываемый этим устройством.

Когда мы с вами рассматривали кооперацию процессов и взаимоисключения, мы говорили о существовании критических секций внутри ядра операционной системы, при выполнении которых необходимо исключить всякие прерывания от внешних устройств. Для запрещения прерываний, а, точнее, для невосприимчивости процессора к внешним прерываниям, обычно существуют специальные команды, которые могут маскировать (запрещать) все или некоторые из прерываний устройств ввода-вывода. В то же время, определенные кризисные ситуации в вычислительной системе (например, неустранимый сбой в работе оперативной памяти), должны требовать ее немедленной реакции. Такие ситуации вызывают прерывания, которые невозможно замаскировать или запретить и которые поступают в процессор по специальной линии шины прерываний, называемой линией немаскируемых прерываний (NMI – Non-Maskable Interrupt).

Не все внешние устройства являются одинаково важными с точки зрения вычислительной системы (“все животные равны, но некоторые равнее других”). Соответственно, некоторые прерывания являются более существенными, чем другие. Контроллер прерываний обычно позволяет устанавливать приоритеты для прерываний от внешних устройств. При почти одновременном возникновении прерываний от нескольких устройств (во время выполнения одной и той же команды процессора), процессору сообщается номер наиболее приоритетного прерывания, для его обслуживания в первую очередь. Менее приоритетное прерывание при этом не пропадает, о нем процессору будет доложено после обработки более приоритетного прерывания. Более того, при обработке возникшего прерывания процессор может быть извещен о возникновении прерывания с более высоким приоритетом, и переключиться на его обработку.

Механизм обработки прерываний, по которому процессор прекращает выполнение команд в обычном режиме и, частично сохранив свое состояние, ответвляется на выполнение других действий, оказался настолько удобен, что зачастую разработчики процессоров используют их и для других целей. Хотя эти случаи и не относятся к операциям ввода-вывода, мы вынуждены упомянуть их здесь, для того, чтобы их не путали с прерываниями. Похожим образом процессор обрабатывает исключительные ситуации и программные прерывания.

Для внешних прерываний характерны следующие особенности:

Исключительные ситуации возникают во время выполнения процессором команды. К их числу относятся ситуации переполнения, деления на ноль, обращения к отсутствующей странице памяти (см. часть III) и т.д. Для исключительных ситуаций характерно следующее:

Программные прерывания возникают после выполнения специальных команд, как правило, для выполнения привилегированных действий внутри системных вызовов. Программные прерывания имеют следующие свойства:

Надо честно сказать, что похожие механизмы обработки внешних прерываний, исключительных ситуаций и программных прерываний лежат целиком на совести разработчиков процессоров. Существуют вычислительные системы, где все эти три ситуации обрабатываются по-разному.

13.1.4. Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – DMA).

Использование механизма прерываний позволяет разумно загружать процессор в то время, когда устройство ввода-вывода занимается своей работой. Однако запись или чтение большого количества информации из адресного пространства ввода-вывода (например, с диска) приводят к большому количеству операций ввода-вывода, которые должен совершать процессор. Для разгрузки процессора от операций последовательного вывода данных из оперативной памяти или последовательного ввода в нее был предложен механизм прямого доступа внешних устройств к памяти – ПДП или Direct Memory Access – DMA. Давайте кратко рассмотрим, как работает этот механизм.

Для того чтобы какое-либо устройство помимо процессора могло записать информацию в память или прочитать ее из памяти, необходимо чтобы это устройство могло забрать у процессора управление локальной магистралью для выставления соответствующих сигналов на шины адреса, данных и управления. Для централизации эти обязанности обычно возлагаются не на каждое устройство в отдельности, а на специальный контроллер – контроллер прямого доступа к памяти. Контроллер прямого доступа к памяти имеет несколько спаренных линий – каналов DMA, которые могут подключаться к различным устройствам. Перед началом использования прямого доступа к памяти этот контроллер необходимо запрограммировать, записав в его порты информацию о том, какой канал или каналы предполагается задействовать, какие операции они будут совершать, какой адрес памяти является начальным для передачи информации, и какое количество информации должно быть передано. Получив по одной из линий каналов DMA сигнал запроса на передачу данных от внешнего устройства, контроллер по шине управления сообщает процессору о желании взять на себя управление локальной магистралью. Процессор, возможно через некоторое время, необходимое для завершения его действий с магистралью, передает управление ею контроллеру DMA. известив его специальным сигналом. Контроллер DMA выставляет на адресную шину адрес памяти для передачи очередной порции информации и по второй линии канала прямого доступа к памяти сообщает устройству о готовности магистрали к передаче данных. После этого, используя шину данных и шину управления, контроллер DMA, устройство ввода-вывода и память осуществляют процесс обмена информацией. Затем контроллер прямого доступа к памяти извещает процессор о своем отказе от управления магистралью, и тот берет руководящие функции на себя. При передаче большого количества данных весь процесс повторяется циклически.

При прямом доступе к памяти процессор и контроллер DMA по очереди управляют локальной магистралью. Это, конечно, несколько снижает производительность процессора, так как при выполнении некоторых команд или при чтении очередной порции команд во внутренний кэш он должен поджидать освобождения магистрали, но в целом производительность вычислительной системы существенно возрастает.

При подключении к системе нового устройства, которое умеет использовать прямой доступ к памяти, обычно необходимо программно или аппаратно задать номер канала DMA, к которому будет приписано устройство. В отличие от прерываний, где один номер прерывания мог соответствовать нескольким устройствам, каналы DMA всегда находятся в монопольном владении устройств.

13.2. Логические принципы организации ввода-вывода.

Рассмотренные в предыдущем разделе физические механизмы взаимодействия устройств ввода-вывода с вычислительной системой позволяют понять, почему разнообразные внешние устройства легко могут быть добавлены в существующие компьютеры. Все, что необходимо сделать пользователю при подключении нового устройства - это отобразить порты устройства в соответствующее адресное пространство, определить какой номер будет соответствовать прерыванию, генерируемому устройством, и, если нужно, закрепить за устройством некоторый канал DMA. Для нормального функционирования hardware этого будет достаточно. Однако мы с вами до сих пор ничего не говорили о том, как должна быть построена подсистема управления вводом-выводом в операционной системе для легкого и безболезненного добавления новых устройств, и какие функции вообще обычно на нее возлагаются. Выяснению этого вопроса и посвящен настоящий раздел.

13.2.1. Структура системы ввода-вывода.

Если поручить неподготовленному пользователю сконструировать систему ввода-вывода, способную работать со всем множеством внешних устройств, то, скорее всего, он окажется в ситуации, в которой находились биологи и зоологи до появления трудов Линнея. Все устройства разные, отличаются по выполняемым функциям и своим характеристикам, и кажется, что принципиально невозможно создать систему, которая без больших постоянных переделок позволяла бы охватывать все многообразие видов. Вот перечень лишь несколько направлений (далеко не полный), по которым различаются устройства:

В области технического обеспечения удалось выделить несколько основных принципов взаимодействия внешних устройств с вычислительной системой, т. е. создать единый интерфейс для их подключения, возложив все специфические действия на контроллеры самих устройств. Тем самым конструкторы вычислительных систем переложили головную боль, связанную с подключением внешней аппаратуры, на разработчиков самой аппаратуры, заставляя их придерживаться определенного стандарта.

Похожий подход оказался продуктивным и в области программного подключения устройств ввода-вывода. Подобно тому, как Линнею удалось заложить основы систематики растительного и животного мира, разделив все живое в природе на относительно небольшое число классов и отрядов, мы можем разделить устройства на относительно небольшое число типов, отличающихся по набору операций, которые могут быть ими выполнены, считая все остальные различия несущественными. Мы можем затем специфицировать интерфейсы между ядром операционной системы, осуществляющим некоторую общую политику ввода-вывода, и программными частями, непосредственно управляющими устройствами, для каждого из таких типов. Более того, разработчики операционных систем получают возможность освободиться от написания и тестирования этих специфических программных частей, получивших название драйверов, передав эту деятельность производителям самих внешних устройств. Фактически мы приходим к использованию принципа уровневого или слоеного построения системы управления вводом-выводом для операционной системы (см. рис. 13.1).

Два нижних уровня этой слоеной системы составляет hardware: сами устройства, непосредственно выполняющие операции, и их контроллеры, служащие для организации совместной работы устройств и остальной вычислительной системы. Следующий уровень составляют драйвера устройств ввода-вывода, скрывающие от разработчиков операционных систем особенности функционирования конкретных приборов и обеспечивающие четко определенный интерфейс между hardware и вышележащим уровнем – уровнем базовой подсистемы ввода-вывода, которая, в свою очередь, предоставляет механизм взаимодействия между драйверами и программной частью вычислительной системы в целом.

Рис 13.1. Структура системы ввода-вывода

В последующих разделах мы подробнее рассмотрим организацию и функции набора драйверов и базовой подсистемы ввода-вывода.

13.2.2. Систематизация внешних устройств и интерфейс между базовой подсистемой ввода-вывода и драйверами.

Как и система видов Линнея, система типов устройств является далеко не полной и не строго выдержанной. Устройства обычно принято разделять по преобладающему типу интерфейса на следующие типы:

Такое деление является весьма условным. В некоторых операционных системах сетевые устройства могут не выделяться в отдельную группу, в некоторых – отдельные группы составляют звуковые устройства и видеоустройства и т.д. Некоторые группы в свою очередь могут разбиваться на подгруппы: подгруппа жестких дисков, подгруппа мышек, подгруппа принтеров. Нас такие детали не интересуют. Нашей целью не является построение стройной и единственно возможной систематизации всех возможных устройств, которые могут быть подключены к вычислительной системе. Единственное, для чего нам понадобится эта классификация – так это для иллюстрации того, что устройства могут быть разделены на группы по выполняемым ими функциям, и для понимания функций драйверов и интерфейса между ними и базовой подсистемой ввода-вывода.

Для этого мы рассмотрим только две группы устройств: символьные и блочные. Как уже упоминалось в предыдущем разделе, символьные устройства – это устройства, которые умеют передавать данные только последовательно байт за байтом, а блочные устройства – это устройства, которые могут передавать блок байт как единое целое.

К символьным устройствам обычно относятся устройства ввода информации, которые спонтанно, т.е. во времена непредсказуемые вычислительной системой, генерируют входные данные: клавиатура, мышь, модем, джойстик. К ним же относятся и устройства вывода информации, для которых характерно представление данных в виде линейного потока: принтеры, звуковые карты и т.д. По своей природе символьные устройства обычно умеют совершать две общих операции: ввести символ (байт) и вывести символ (байт) – get и put.

Для блочных устройств, таких как магнитные и оптические диски, ленты и т.п., естественными являются операции чтения и записи блока информации – read и write, а также, для устройств прямого доступа, операция поиска требуемого блока информации – seek.

Драйвера символьных и блочных устройств должны предоставлять базовой подсистеме ввода-вывода функции для осуществления описанных общих операций. Помимо общих операций некоторые устройства могут выполнять операции специфические, свойственные только им – например, звуковые карты умеют увеличивать или уменьшать среднюю громкость звучания, дисплеи умеют изменять свою разрешающую способность. Для выполнения таких специфических действий в интерфейс между драйвером и базовой подсистемой ввода-вывода обычно входит еще одна функция, позволяющая непосредственно передать драйверу устройства произвольную команду с произвольными параметрами, что позволяет задействовать любую возможность драйвера без изменения интерфейса. В операционной системе UNIX такая функция получила название ioctl (от input-output control).

Помимо функций read, write, seek (для блочных устройств), get, put (для символьных устройств) и ioctl в состав интерфейса обычно включают еще следующие функции:

Существует еще ряд действий, выполнение которых может быть возложено на драйвер, но поскольку, как правило, они являются действиями базовой подсистемы ввода-вывода, мы поговорим о них в следующем разделе. Приведенные выше названия функций, конечно, являются условными и могут меняться от одной операционной системы к другой, но действия, выполняемые драйверами, характерны для большинства операционных систем, и соответствующие функции присутствуют в интерфейсах к ним.

13.2.3. Функции базовой подсистемы ввода-вывода.

Базовая подсистема ввода-вывода служит посредником между процессами вычислительной системы и набором драйверов. Системные вызовы для выполнения операций ввода-вывода трансформируются ею в вызовы функций необходимого драйвера устройства. Однако обязанности базовой подсистемы не сводятся к выполнению только действий трансляции общего системного вызова в обращение к частной функции драйвера. Базовая подсистема предоставляет вычислительной системе такие услуги, как поддержка блокирующихся, не блокирующихся и асинхронных системных вызовов, буферизация и кэширование входных и выходных данных, осуществление spooling’а и монопольного захвата внешних устройств, обработку ошибок и прерываний, возникающих при операциях ввода-вывода, планирование последовательности запросов на выполнение этих операций. Давайте остановимся на этих услугах подробнее.

13.2.3.1. Блокирующиеся, не блокирующиеся и асинхронные системные вызовы.

Все системные вызовы, связанные с осуществлением операций ввода-вывода, можно разбить на три группы по способам реализации взаимодействия процесса и устройства ввода-вывода.

13.2.3.2. Буферизация и кэширование.

Под буфером обычно понимается некоторая область памяти для запоминания информации при обмене данных между двумя устройствами, двумя процессами или процессом и устройством. Обмен информацией между двумя процессами относится к области кооперации процессов, и мы подробно рассмотрели его организацию в соответствующей главе. Нас здесь будет интересовать использование буферов в том случае, когда одним из участников обмена является внешнее устройство. Существуют три причины, приводящие к использованию буферов в базовой подсистеме ввода-вывода:

Под словом кэш (cache – “наличные”), этимологию которого мы не будем здесь рассматривать, обычно понимают область быстрой памяти, содержащую копию данных, расположенных где-либо в более медленной памяти, предназначенную для ускорения работы вычислительной системы. Мы с вами сталкивались с этим понятием при рассмотрении иерархии памяти. В базовой подсистеме ввода-вывода не следует смешивать два понятия: буферизация и кэширование, хотя зачастую для выполнения этих функций отводится одна и та же область памяти. Буфер часто содержит единственный набор данных, существующий в системе, в то время как кэш, по своему определению, содержит копию данных, существующих где-нибудь еще. Например, буфер, используемый базовой подсистемой для копирования данных из пользовательского пространства процесса при выводе на диск, может в свою очередь использоваться как кэш для этих данных, если операции модификации и повторного чтения этого блока выполняются достаточно часто.

Функции буферизации и кэширования не обязательно должны быть локализованы в базовой подсистеме ввода-вывода. Они могут быть частично реализованы в драйверах и даже в контроллерах устройств, скрытно по отношению к базовой подсистеме.

13.2.3.3. Spooling и захват устройств.

О понятии spooling мы с вами говорили в первой главе нашего курса, как о механизме, впервые позволившем совместить реальные операции ввода-вывода одного задания с выполнением другого задания. Теперь мы можем определить это понятие более аккуратно. Под словом spool мы будем понимать буфер, который содержит входные или выходные данные для устройства, на котором следует избегать чередования его использования (возникновения interleaving – см. раздел 5.1. главы 5) различными процессами. Правда, в современных вычислительных системах spool практически не используется для ввода данных, а в основном предназначен для накопления выходной информации.

Рассмотрим в качестве внешнего устройства принтер. Хотя принтер не может печатать информацию, поступающую одновременно от нескольких процессов, может оказаться желательным разрешить процессам совершать вывод на принтер параллельно. Для этого операционная система вместо передачи информации напрямую на принтер накапливает выводимые данные в буферах на диске, организованных в виде отдельного spool файла для каждого процесса. После завершения некоторого процесса, соответствующий ему spool файл ставится в очередь для реальной печати. Механизм, обеспечивающий подобные действия, и получил название spooling.

В некоторых операционных системах вместо использования spooling’а для устранения race condition применяется механизм монопольного захвата устройств процессами. Если устройство свободно, то один из процессов может получить его в монопольное распоряжение. При этом все другие процессы при попытке осуществления операций над этим устройством будут либо блокированы (переведены в состояние ожидание), либо получат информацию о невозможности выполнения операции до тех пор, пока процесс, захвативший устройство, не завершится или явно не сообщит операционной системе о своем отказе от его использования.

Обеспечение spooling’а и механизма захвата устройств является прерогативой базовой подсистемы ввода-вывода.

13.2.3.4. Обработка прерываний и ошибок.

Если при работе с внешним устройством вычислительная система не пользуется методом опроса его состояния, а использует механизм прерываний, то при возникновении прерывания, как мы уже говорили раньше, процессор, частично сохранив свое состояние, передает управление специальной программе обработки прерывания. Мы уже рассматривали действия операционной системы над процессами, происходящими при возникновении прерывания в разделе 2.3.5. – “Переключение контекста”, где после возникновения прерывания осуществлялись следующие действия: сохранение контекста, обработка прерывания, планирование использование процессора, восстановление контекста, обратив пристальное внимание на действия, связанные с сохранением и восстановлением контекста и планированием использования процессора. Давайте теперь подробнее остановимся на том, что скрывается за словами “обработка прерывания”.

Одна и та же процедура обработки прерывания может использоваться для нескольких устройств ввода-вывода (например, если эти устройства используют одну линию прерываний, идущую от них к контроллеру прерываний), поэтому первое действие собственно программы обработки состоит в определении того, какое именно устройство выдало прерывание. Зная устройство, мы можем выявить процесс, который инициировал выполнение соответствующей операции. Поскольку прерывание возникает как при удачном, так и при неудачном ее выполнении, следующее, что мы должны сделать – это определить успешность завершения операции, проверив значение бита ошибки в регистре состояния устройства. В некоторых случаях операционная система может предпринять определенные действия, направленные на компенсацию возникшей ошибки. Например, в случае возникновения ошибки чтения с гибкого диска, можно попробовать несколько раз повторить выполнение команды. Если компенсация ошибки невозможна, то операционная система впоследствии известит об этом процесс, запросивший выполнение операции, (например, специальным кодом возврата из системного вызова). Если этот процесс был заблокирован до выполнения завершившейся операции, то операционная система переводит его в состояние готовность. При наличии других неудовлетворенных запросов к освободившемуся устройству операционная система может инициировать выполнение следующего запроса, одновременно известив устройство, что прерывание обработано. На этом собственно обработка прерывания заканчивается, и система может приступать к планированию использования процессора.

Действия по обработке прерывания и компенсации возникающих ошибок могут быть частично переложены на плечи соответствующего драйвера. Для этого в состав интерфейса между драйвером и базовой подсистемой ввода-вывода добавляют еще одну функцию – функцию обработки прерывания intr.

13.2.3.5. Планирование запросов.

При использовании не блокирующегося системного вызова может оказаться, что требуемое устройство уже занято выполнением некоторых операций. В этом случае не блокирующийся вызов может немедленно вернуться, не выполнив запрошенных команд. При организации запроса на совершение операций ввода-вывода с помощью блокирующегося или асинхронного вызова занятость устройства приводит к необходимости постановки запроса в очередь к данному устройству. В результате с каждым устройством оказывается связан список неудовлетворенных запросов процессов, находящихся в состоянии ожидания, и запросов, выполняющихся в асинхронном режиме. Состояние ожидание расщепляется на набор очередей процессов, дожидающихся различных устройств ввода-вывода (или ожидающих изменения состояний различных объектов – семафоров, очередей сообщений, условных переменных в мониторах и т.д. – см. главу 6).

После завершения выполнения текущего запроса операционная система (по ходу обработки возникшего прерывания) должна решить, какой из запросов в списке должен быть удовлетворен следующим, и инициировать его исполнение. Точно так же, как для выбора очередного процесса на исполнение из списка готовых нам приходилось осуществлять краткосрочное планирование процессов, здесь нам необходимо осуществлять планирование использования устройств, пользуясь каким-либо алгоритмом этого планирования. Критерии и цели такого планирования мало отличаются от критериев и целей планирования процессов.

Задача планирования использования устройства обычно возлагается на базовую подсистему ввода-вывода, однако для некоторых устройств лучшие алгоритмы планирования могут быть тесно связаны с деталями их внутреннего функционирования. В таких случаях операция планирования переносится внутрь драйвера соответствующего устройства, так как эти детали скрыты от базовой подсистемы. Для этого в интерфейс драйвера добавляется еще одна специальная функция, которая осуществляет выбор очередного запроса, - функция strategy.

В следующем разделе мы рассмотрим некоторые алгоритмы планирования, связанные с удовлетворением запросов, на примере жесткого диска.

13.2.4. Алгоритмы планирования запросов к жесткому диску.

Прежде, чем приступить к непосредственному изложению самих алгоритмов, давайте вспомним внутренне устройство жесткого диска и определимся с тем, какие параметры запросов мы можем использовать для планирования.

13.2.4.1. Строение жесткого диска и параметры планирования.

Современный жесткий магнитный диск представляет собой набор круглых пластин, находящихся на одной оси, и покрытых с одной или двух сторон специальным магнитным слоем (см. рисунок 13.2.). Около каждой рабочей поверхности каждой пластины расположены магнитные головки для чтения и записи информации. Эти головки присоединены к специальному рычагу, который может перемещать весь блок головок над поверхностями пластин как единое целое. Поверхности пластин разделены на концентрические кольца, внутри которых собственно и может храниться информация. Набор концентрических колец на всех пластинах для одного положения головок (т.е. все кольца равноудаленные от оси) образует цилиндр. Каждое кольцо внутри цилиндра получило название дорожки (по 1-й или 2-е дорожки на каждую пластину). Все дорожки делятся на равное число секторов. Количество дорожек, цилиндров и секторов может варьироваться от одного жесткого диска к другому в достаточно широких пределах. Как правило, сектор является минимальным объемом информации, которое может быть прочитано с диска за один раз.

При работе диска набор пластин вращается вокруг своей оси с высокой скоростью, подставляя по очереди под головки соответствующих дорожек все их сектора. Номер сектора, номер дорожки и номер цилиндра однозначно определяют положение данных на жестком диске и, наряду с типом совершаемой операции – чтение или запись, полностью характеризуют часть запроса, связанную с устройством, при обмене информацией в объеме одного сектора.

Рис 13.2. Схема жесткого диска

13.2.4.2. Алгоритм First Come First Served (FCFS)

Простейшим алгоритмом, к которому мы уже должны были привыкнуть, является алгоритм First Come First Served (FCFS) – первым пришел, первым обслужен. Все запросы организуются в очередь FIFO и обслуживаются в порядке поступления. Алгоритм прост в реализации, но может приводить к достаточно большим общим временам обслуживания запросов. Рассмотрим пример. Пусть у нас на диске из 100 цилиндров (от 0 до 99) есть следующая очередь запросов: 23, 67, 55, 14, 31, 7, 84, 10 и головки в начальный момент находятся на 63 цилиндре. Тогда положение головок будет меняться следующим образом:

63->23->67->55->14->31->7->84->10

и всего головки переместятся на 329 цилиндров. Неэффективность алгоритма хорошо иллюстрируется двумя последними перемещениями с 7 цилиндра через весь диск на 84 цилиндр и, затем опять через весь диск на цилиндр 10. Простая замена порядка двух последних перемещений (7->10->84) позволила бы существенно сократить общее время обслуживания запросов. Поэтому давайте перейдем к рассмотрению другого алгоритма.

13.2.4.3. Алгоритм Short Seek Time First (SSTF).

Как мы видели, достаточно разумным является первоочередное обслуживание запросов, данные для которых лежат рядом с текущей позицией головок, а уж затем далеко отстоящих. Алгоритм Short Seek Time First (SSTF) – короткое время поиска первым - как раз и исходит из этой позиции. Для очередного обслуживания будем выбирать запрос, данные для которого лежат наиболее близко к текущему положению магнитных головок. Естественно, что при наличии равноудаленных запросов, решение о выборе между ними может приниматься из различных соображений, например по алгоритму FCFS. Для предыдущего примера алгоритм даст следующую последовательность положений головок:

63->67->55->31->23->14->10->7->84

и всего головки переместятся на 141 цилиндр. Заметим, что наш алгоритм похож на алгоритм SJF планирования процессов, если за аналог оценки времени очередного CPU burst процесса выбирать расстояние между текущим положением головки и положением, необходимым для удовлетворения запроса. И точно так же, как алгоритм SJF, он может приводить к длительному откладыванию выполнения какого-либо запроса. Необходимо вспомнить, что запросы в очереди могут появляться в любой момент времени. Если у нас все запросы, кроме одного, постоянного группируются в области с большими номерами цилиндров, то этот один запрос может находиться в очереди неопределенно долго.

Точный алгоритм SJF являлся оптимальным для заданного набора процессов с заданными временами CPU burst. Легко видеть, что алгоритм SSTF не является оптимальным. Если мы перенесем обслуживание запроса 67 цилиндра в промежуток между запросами 7 и 84 цилиндров, мы уменьшим общее время обслуживания. Это наблюдение приводит нас к идее целого семейства других алгоритмов – алгоритмов сканирования.

13.2.4.4. Алгоритмы сканирования (SCAN, C-SCAN, LOOK, C-LOOK)

В простейшем из алгоритмов сканирования – SCAN – головки постоянно перемещаются от одного края диска до его другого края, по ходу дела обслуживая все встречающиеся запросы. По достижении другого края направление движения меняется, и все повторяется снова. Пусть в предыдущем примере в начальный момент времени головки двигаются в направлении уменьшения номеров цилиндров. Тогда мы и получим порядок обслуживания запросов, подсмотренный в конце предыдущего раздела. Последовательность перемещения головок выглядит следующим образом:

63->55->31->23->14->10->7->0->67->84

и всего головки переместятся на 147 цилиндров.

Если мы знаем, что обслужили последний попутный запрос в направлении движения головок, то мы можем не доходить до края диска, а сразу изменить направление движения на обратное:

63->55->31->23->14->10->7->67->84

и всего головки переместятся на 133 цилиндра. Полученная модификация алгоритма SCAN получила название LOOK.

Допустим, что к моменту изменения направления движения головки в алгоритме SCAN, т.е. когда головка достигла одного из краев диска, у этого края накопилось большое количество новых запросов, на обслуживание которых будет потрачено достаточно большое время (не забываем, что надо не только перемещать головку, но еще и передавать прочитанные данные!). Тогда запросы, относящиеся к другому краю диска и поступившие раньше, будут ждать обслуживания несправедливо долгое время. Для сокращения времени ожидания запросов применяется другая модификация алгоритма SCAN – циклическое сканирование. Когда головка достигает одного из краев диска, она без чтения попутных запросов (иногда существенно быстрее, чем при выполнении обычного поиска цилиндра) перемещается на другой край, откуда вновь начинает свое движение. Для этого алгоритма, получившего название C-SCAN, последовательность перемещений будет выглядеть так:

63->55->31->23->14->10->7->0->99->84->67

По аналогии с алгоритмом LOOK для алгоритма SCAN можно предложить и алгоритм C-LOOK для алгоритма C-SCAN:

63->55->31->23->14->10->7->84->67

Существуют и другие разновидности алгоритмов сканирования, и совсем другие алгоритмы, но мы на этом закончим наше рассмотрение, ибо было сказано: “И еще раз говорю: никто не обнимет необъятного”.

13.3. Резюме.

Функционирование любой вычислительной системы обычно сводится к выполнению двух видов работы: обработке информации и операций по осуществлению ее ввода-вывода. С точки зрения операционной системы “обработкой информации” являются только операции, совершаемые процессором над данными, находящимися в памяти на уровне иерархии не ниже, чем оперативная память. Все остальное относится к “операциям ввода-вывода”, т.е. к обмену информацией с внешними устройствами.

Несмотря на все многообразие устройств ввода-вывода, управление их работой и обмен информацией с ними строятся на относительно небольшом количестве принципов. Основными физическими принципами построения системы ввода-вывода является следующие: возможность использования различных адресных пространств для памяти и устройств ввода-вывода; подключение устройств к системе через порты ввода-вывода, отображаемые в одно из адресных пространств; существование механизма прерывания для извещения процессора о завершении операций ввода-вывода; наличие механизма прямого доступа устройств к памяти, минуя процессор.

Механизм, подобный механизму прерываний, может использоваться также и для обработки исключений и программных прерываний, однако это целиком лежит на совести разработчиков вычислительных систем.

Для построения программной части системы ввода-вывода характерен слоеный подход. Для непосредственного взаимодействия с hardware используются драйвера устройств, скрывающие от остальной части операционной системы все особенности их функционирования. Драйвера устройств через жестко определенный интерфейс связаны с базовой подсистемой ввода-вывода, в функции которой входят: организация работы блокирующихся, не блокирующихся и асинхронных системных вызовов, буферизация и кэширование входных и выходных данных, осуществление spooling’а и монопольного захвата внешних устройств, обработка ошибок и прерываний, возникающих при операциях ввода-вывода, планирование последовательности запросов на выполнение этих операций. Доступ к базовой подсистеме ввода-вывода осуществляется посредством системных вызовов.

Часть функций базовой подсистемы может быть делегирована драйверам устройств и самим устройствам ввода-вывода.

Предыдущая глава | Программа курса | Следующая глава